传感器试验课程设计

1、传感器实验及课程设计教学大纲课程编码：08365040课程名称：传感器实验及课程设计英文名称：the experiment and course design of sensor学时/学分：20/1 适用对象：测控技术与仪器、电气工程及其自动化等本科生指导教材：传感器课程设计教程参考书：传感器原理及检测技术实验指导与习题集主要仪器设备：CSY910型传感器实验仪、传感器实验扩展装置、计算机、示波器、万用表、信号发生器等一、学时分配序号实验项目名称实验类型学时分配备注1霍尔式传感器的特性实验基本22感应式磁敏传感器设计设计43霍尔式传感器应用设计综合44热电偶测温实验基本25热敏电阻设计26AD

2、590设计27光敏三极管设计28光敏电阻设计29金属箔式应变片位移测量实验基本210电感传感器基本211电容传感器基本212压电式传感器基本213气敏、湿度传感器设计214智能传感器基本215磁敏传感器应用综合设计816温度传感器应用综合设计817光敏传感器应用综合设计818力敏传感器应用综合设计819应变传感器应用综合设计820压电传感器应用综合设计821其它传感器应用综合设计822智能传感器设计综合设计8二、课程性质、目的与任务传感器课程设计是测控技术与仪器专业开设的一门独立实践课程，也是电气工程及自动化专业的选修课程。本课程以各类传感器的性能测试、实际应用设计为线索，完成磁敏传感器、温度

3、传感器、光电传感器、应变传感器、电感传感器、电容传感器、压电传感器、光纤传感器、温湿度传感器、智能传感器等基本型、设计性和综合性实验与设计内容，通过课内和课外相结合，自主申请实验项目和实验室开放课题相结合，使学生掌握不同种类传感器的使用方法和设计要点的基本技能，加深学生对“传感器原理及检测技术”理论知识的理解，为从事仪器系统开发与设计打下基础。三、教学基本要求1、通过磁敏传感器实际制作或应用，掌握感应式传感器的工作原理及其性能和霍尔式传感器的工作原理、特能及其应用。2、通过热电偶、热敏电阻和集成温度传感器AD590的性能测试的方法及应用，掌握热电偶的原理、热敏电阻和电流输出型温度传感器的工作原

4、理和使用方法，并计算和分析温度传感器灵敏度、线性度。3、了解各种光电器件的特性，通过光敏三极管和光敏电阻的实际参数测试，掌握光电传感器的工作原理与应用方法。4、通过应变式传感器实验，掌握理论课上所讲授的应变片的工作原理，并完成单臂、半桥、全桥的性能测试，总结它们之间的相互关系。5、了解差动变压器的结构，通过差动变压器静态位移性能测试和差动变压器零点残余电压的补偿电路设计，掌握理论课上所讲授的差动变压器的工作原理和零点残余电压的补偿措施。6、通过差动变面积式电容传感器的静态及动态特性测试，掌握差动变面积式电容传感器的工作原理及其特性，了解电容变换器的工作原理。7、通过压电式传感器的动态响应和引线

5、电容对电压放大器与电荷放大器的影响实验，掌握压电式传感器的工作原理、结构及应用和验证引线电容对电压放大器的影响，了解电荷放大器的原理和使用方法。8、通过气敏、湿度传感器性能测试，掌握气敏、湿度传感器的工作原理及其特性，掌握测量可燃性气体、环境湿度的方法和设计电路。9、通过基于IEEE 1451的温湿度智能传感器现场应用演示，掌握基于该标准的智能传感器协议的特点、系统组成及实际应用领域。四、教学内容及要求：1、磁敏传感器：完成霍尔元件基本特性实验；自行设计感应式传感器，利用传感器实验仪放大器和显示模块完成磁场测试的实验内容；利用集成霍尔式传感器，自行设计放大器电路，实现转速测量，将转速结果通过显

6、示模块显示。该两项实验内容学生可任选其一作课内实验，另一项实验内容通过课外或实验室开放完成。2、温度传感器：利用传感器实验仪上的热电偶完成测温实验，根据实验结果，查分度表，计算并分析该热电偶的灵敏度和线性度；通过设计热敏电阻测量电路和放大器，利用传感器实验仪上的显示模块显示被测温度，计算并分析该热敏电阻的灵敏度和线性度；识别集成温度传感器AD590管脚，通过设计测量电路和放大器，利用传感器实验仪上的显示模块显示被测温度，计算并分析该温度传感器AD590的灵敏度和线性度。该三项实验内容学生可任选其一作课内实验，剩余两项项实验内容通过课外或实验室开放完成。3、光电传感器：设计光敏三极管测量电路，通

7、过电机带动黑白相间条纹园盘旋转，利用传感器实验仪上的显示模块计数白条纹数量，经过计算得出电机转速；设计光敏电阻测量电路、放大器和发光二极管亮度可调电路，利用传感器实验仪上的显示模块显示电位器不同刻度对应的输出值，绘制光敏电阻光谱特性曲线。该两项实验内容学生可任选其一作课内实验，另一项实验内容通过课外或实验室开放完成。4、应变式传感器：利用传感器实验仪上粘贴的应变片，学生分别连接三种电桥：单臂、半桥、全桥，完成位移测量实验，要求三种电桥所用放大器增益不变，根据测量结果，计算灵敏度，比较三种电桥之间的相互关系。该部分内容为课内实验。5、电感传感器：利用传感器实验仪上的差动变压器，将两只次级线圈反向

8、串接，由音频振荡器给初级提供激励信号，调整差动变压器中衔铁的位置，用示波器观察输出波形，然后，通过电桥平衡网络对差动变压器的零点残余电压进行补偿，观察零点残余电压波形。该部分内容可作为课内实验或通过课外或实验室开放完成。6、电容传感器：将传感器实验仪上的差动变面积式电容传感器连接到电容变换器，经放大和滤波，在电压表和示波器上显示可动极板相对变化情况，记录测试数据，计算系统灵敏度，分析电容变换器电路工作原理。该部分内容可作为课内实验或通过课外或实验室开放完成。7、压电式传感器：将传感器实验仪上的压电传感器接到电荷放大器，给振动台的激振线圈加激励信号，观察压电传感器的输出波形，然后再将压电传感器接

9、到电压放大器，通过滤波、放大和相敏检波器，更换不同长度屏蔽线，观察实验输出结果，分析并比较引线电容对电压放大器和电荷放大器的影响。该部分内容可作为课内实验或通过课外或实验室开放完成。8、气敏、湿度传感器：识别气敏传感器管脚，设计其测量电路，将传感器输出接直实验仪上的放大器，通过显示模块显示不同气体浓度对应的数据，分析产生测量误差的原因；设计湿敏电阻测量环境湿度的检测电路，利用实验仪上的显示模块显示被测湿度，计算该传感器的重复性误差。该两项实验内容学生可任选其一作课内实验，另一项实验内容通过课外或实验室开放完成。9、智能传感器：利用传感器国际标准协议IEEE 1451制作的网络化实验传感器装置，

10、通过连接Internet网络远程调用，观察被测现场多种参数测量结果。该部分内容可作为课内课程设计或通过课外或实验室开放完成。五、考核方式：考查，成绩由出勤率、作品验收、实验报告三部分决定。实验项目一 霍尔式传感器的特性实验霍尔元件的结构中，矩型薄片状的立方体称为基片，在它的两侧各装有一对电极。一个电极用以加激励电压或激励电流，故称为激励电极。另一个电极作为霍尔电势的输出，故称霍尔电极。在实际应用中，当磁场强度H（或磁感应强度B）或激励电流I中的一个参数为常量，而另一个作为输入时，则输出霍尔电势UH(或B)或I。当输入量是H（或B）或I时，则输出霍尔电势UH正比于H（或B）与I的乘积。实验装置采

11、用的磁路系统如图1（a）所示，由于两对极性相反的磁极的共同组成，在磁极间形成一个梯度磁场。理想特性如图1（b）所示磁感应强度B是位移x的函数，即B=f(x)。调整霍尔元件处于图示中心位置时，由于该处磁场作用抵消B=0，所以霍尔元件上下运动时霍尔电势大小和符号也会跟随变化，并且有UH=f(x)。因此，若用一标准磁场或已知特性磁场的磁路系统来校准霍尔元件的输出电势时可采用测量磁场强度的方法。图1 霍尔元件磁路系统和特性实验目的：了解霍尔式传感器的原理与特性。基本原理：根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以惊醒位移测量。所需单元及部件：霍尔片、磁路系统、电桥、

12、差动放大器、FV表、直流稳压电源、测微头、振动平台、主、副电源。实验步骤：（1）霍尔元件上所加电压不得超过±2V，以免损坏霍尔晴，辨别霍尔片的激励电极和霍尔电极端。（2）一旦调整好测量系统，测量时不能移动磁路系统。（3）了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号。霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。（4）将差动放大器的(+)、()输入端与地短接，输出端插口与FV表的输入插口Vi相连，开启主、副电源，调节差放零点旋钮，使FV表显示零，关闭主电源。（5）差动放大器增益旋至最小，F/V电压表量程置2V档，直

13、流稳压电源放在2V档。开启主、副电源将差动放大器调零后，增益置最小，再关闭主电源，根据图2接线，W1、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。霍尔器件NNSS环形磁铁V+直流稳压电源11+2V2V w1r电桥平衡网络差动放大器电压表霍尔传感器图2 霍尔传感器直流特性测试（6）装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。（7）开启主、副电源，调整Wl使电压表指示为零。（8）上下旋动测微头，每0.5mm读一个数，将电压表的读数填入下表X（mm）V(v)X（mm）V(v)（9）作出VX曲线，指出线性范围，求出灵敏度K=V/X。发挥部分：（1）按图3接好线路，开启电源将差动放大器输出

14、调零；（2）用F表将音频振荡器调至1KHZ，用示波器观察输出幅度小于5V。（3）（0°，180°）端输出至霍尔片的输入端，差动放大器增益调小；（4）利用示波器、电压表调整平衡网络w1、w2使输出为零，同时可调整移相器。（5）旋转测微头，记下读数填入下表：X（mm）V(v)X（mm）V(v)音 频 振 荡 器w1移相器相敏检波器低通滤波器示波器F/V表V12+差动放大器电桥平衡网络霍尔传感器Cw2Lvr 图3 霍尔传感器的交流特性测试思考题（1）本实验测出的实际上是磁场的分布情况，它的线性好坏是否影响位移测量的线性度。（2）霍尔传感器是否适用于大位移测量？（3）霍尔片工作在磁

15、场的那个范围灵敏度最高？实验项目二 感应式磁敏传感器设计1实验目的及要求了解感应式磁敏传感器的基本结构、工作原理及应用场合，掌握传感器线圈缠绕匝数与其频率带宽之间的关系、与其灵敏度之间的关系，不同材料的磁芯对感应式磁敏传感器的性能的影响。2基本原理：感应式磁敏传感器是基于法拉第电磁感应定律制成的，传感器的N匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中产生感应电动势： 发生变化，根据产生感应电动势的大小检测磁场的强弱。其线圈分为两种类型：有磁芯线圈和空心环路线圈。有磁芯线圈传感器中的磁芯采用高导磁率材料，如坡莫合金，非晶态合金等。3所需仪器及材料：示波器、RLC测试仪、信号发生器、万用表、磁芯、漆包线等。

16、4实验任务： （1）在给定的磁芯上缠绕一定匝数的漆包线，完成传感器的制作，同时用漆包线制作一个激励线圈。用RLC测试仪测量所作传感器的电感值、分布电容值和有效直流电阻值，并记录。（2）利用传感器实验仪上的放大器、电阻和电容等电子元件，设计、制作与调试传感器测量电路，并与传感器连接。（3）用信号发生器输出的正弦信号接至激励线圈，产生频率幅度变化的磁场，将制作的传感器放入该磁场中，用双线示波器连接信号发生器输出端和传感器输出端，组成一个测量线路，通过调节信号发生器输出正弦信号的频率，用示波器读出信号发生器输出的正弦信号和传感器输出波形的峰峰值，填入下表：F（Hz）Vp-p（信号发生器）Vp-p（传

17、感器）（4）根据实测数据，写出该传感器的带宽，计算其灵敏度和线性度。5思考：（1）试回答磁敏感应传感器的第一个谐振点的频率。（2）传感器线圈匝数缠绕的多少是否影响其频率特性？为什么?6实验报告包括：目的、任务；线圈参数（匝数、磁芯材料和线径等）及测量电路设计原理和框图；实验方法及实验中碰到的问题和分析解决问题的方法；实验步骤；测量数据记录；结论。实验项目三 霍尔传感器应用设计1集成霍尔传感器霍尔集成传感器是将霍尔元件、放大器、施密特触发器以及输出电路等集成在一块芯片上，为用户提供了一种简化的和比较完善的磁敏传感器。其输出信号强，传送过程无抖动现象，而且功耗低，对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场

18、移动速度无关。霍尔集成传感器分为线性集成电路和开关电路。实验采用3144EU开关型霍尔集成传感器，开关型集成霍尔传感器由霍尔元件HG、放大器A、输出晶体管VT、施密特电路C和稳定电源R等组成。其内部框图、输出特性和引脚如图4（a）、（b）、（c）所示。传感器通过晶体管VT的集电极输出，传感器的输出只有一端，是以一定磁场电平值进行开关工作的，由于内设有施密特电路，开关特性具有时滞，因此有较好的抗噪声效果。工作电源的电压范围较宽，可为36V。 （a）内部框图 （b）输出特性 （c）引脚图图4 开关集成霍尔元件内部框图、输出特性2实验目的；了解开关型集成霍尔传感器及其转换电路的工作原理；掌握霍尔传感器